用于自动立体显示装置的像素布置

摘要

一种自动立体显示装置包括空间光调制器，其包括在像素平面排列成行和列的像素阵列，和空间多路复用视差元件，其能够从连续的像素列朝标称窗口平面中的两个或多个视窗中的连续的视窗引导光。考虑通过空间多路复用视差元件、在像素平面形成的标称窗口平面中的标称人的瞳孔图像的光强图形，设计像素的布置，以减小在窗口平面移动的观察者看到的空间衍生闪烁的量。在一种布置中，像素孔径以等于所述光强图形的典型宽度的间距重复。在另一布置中，平行于像素列的像素孔径总高度具有相对像素孔径中心朝像素孔径边缘增加的图形。

说明书

技术领域

本发明涉及自动立体显示装置。这种装置可以用于可切换的二维(2D)/三维(3D)自动立体显示装置。这种系统可以用于计算机监示器、通讯手持装置、数字照相机、膝上型和桌上型计算机、游戏装置、自动和其它移动显示应用。

背景技术

正常人的视觉是立体的，即，每只眼睛看稍微不同范围的图像。大脑合并两个图像(称为立体对)，以给出深度感。三维立体器显示重放分离的图像(通常是平面的)给每只眼睛，这些分离的图像对应于观看实际范围场景所看到的景象。大脑再次合并立体对，以给出图像的视在深度。

图1a示出在显示平面1中的显示表面的平面图。右眼2看显示平面上的右眼同名像点(homologous image point)3和左眼4观看显示平面上的左眼同名点(homologous point)5，以产生用户感觉到在屏幕平面后面的视在像点6。

图1b示出在显示平面1中的显示表面的平面图。右眼2观看显示平面上的右眼同名像点7和左眼4看显示平面上的左眼同名像点8，以产生在屏幕前面的视在像点9。

图1c示出左眼图像10和右眼图像11的细节。左眼图像10中的同名点5位于参考线12上。右眼图像11中的相应同名点3相对参考线12在不同的相对位置3。点3与参考线12的间隔(separation)13称为视差，在这种情况下，对于位于屏幕平面后面的点来说是正视差。

对于在场景中的综合点，在立体对的每个图像中有相应点，如图1a所示。这些点称为同名点。在两个图像之间的同名点的相对间隔称为视差；零视差的点对应于在显示器深度平面的点。图1b示出在显示器后面出现不交叉视差的点，图1c示出在显示器前面出现交叉视差的点。同名点间隔的大小、到观察者的距离，和观察者两眼之间的距离得出在显示器上看到的深度量。

立体型显示器在现有技术中是公知的，并且涉及用户使用某种观看辅助工具、以基本上分离的视图送到左眼和右眼的显示器。例如，观看辅助工具可以是图像被彩色编码(例如，红和绿)的彩色滤光片；图像在垂直偏振状态解码的偏振玻璃；或视图被解码成与玻璃光阀的开启同步的临时图像顺序的光阀玻璃。

自动立体显示器不用观察者使用观看辅助工具。在自动立体显示器中，每个视图可以从有限的空间区域看见，如图2所示。

图2a示出具有附加视差光学组件17的显示装置16。显示装置产生右眼图像18，用于右眼信道。视差光学组件17沿箭头19所示的方向引导光，以在显示器前面的区域产生右眼视窗20。观察者将他们的右眼22放在窗口20的位置。示出左眼视窗24的位置，用于参考。视窗20也可以称为垂直延伸光瞳。

图2b示出左眼光学系统。显示装置16产生左眼图像26，用于左眼信道。视差光学组件17沿箭头28的方向引导光，以在显示器前面的区域产生左眼视窗30。观察者将他们的左眼32放在窗口30的位置。示出右眼视窗20的位置是用于参考。

系统包括显示器和光学操纵机构。来自左图像26的光被送到显示器前面的有限区域，称作视窗30。如果眼睛32放在视窗30的位置，那么观察者在整个显示器16上看见正确的图像26。类似地，光学系统将用于右图像18的光送到分离窗口20。如果观察者将他们的右眼22放在这个窗口，那么在整个显示器上看见右眼图像。通常，来自任一图像的光被认为光学指向(即，引导)到相应的定向分布。

图3示出在窗口平面(window plane)42中产生左眼视窗36、37、38和右眼图像视窗39、40、41的显示平面34中的显示装置16、17的平面图。窗口平面与显示器的间隔称为标称视距43。在相对显示器中心位置的窗口37、40是在第零个波瓣44。第零个波瓣44右侧的窗口36、39是在+1波瓣46，而第零个波瓣44左侧的窗口38、41是在-1波瓣。

显示器的视窗平面(viewing window plane)代表与显示器相距的一距离，在该距离处横向观看自由度是最大的。对于离开窗口平面的点，具有钻石形的自动立体观看区，如图3的平面图所示。从图中可以看出，来自显示器上每个点的光以有限宽度的锥形传送到视窗。锥形的宽度可以限定为角度宽度。

如果眼睛放在一对视区的每一个，诸如37、40，那么在整个显示区将看到自动立体图像。对于第一级，显示器的纵向观看自由度由这些视区的长度来确定。

图4a中示出在显示器的窗口平面上的光强50(构成光的方向分布的一种有形形式)相对理想化的窗口的位置51的变化。右眼窗口位置光强分布52对应于图3中的窗口41，光强分布53对应于窗口37，光强分布54对应于窗口40，和光强分布55对应于窗口36。

图4b示意性地示出更实际窗口的光强分布与位置关系。右眼窗口位置光强分布56对应于图3中的窗口41，光强分布57对应于窗口37，光强分布对应于窗口40和光强分布59对应于窗口36。

光学系统用于产生在离显示器一限定距离的窗口平面的光照度方向分布。在显示器窗口平面上的光强变化构成光方向分布的一种有形形式。

在显示平面显示各个图像，观察者在窗口平面或窗口平面附近观看各个图像。在窗口平面上的光强变化不是由图像上的光强变化来限定；但是，为易于解释，观察者在窗口平面看到的图像可以称为在视窗上的图像。

在本申请中，术语“SLM”(空间光调制器)用于包括调制外部光源的透射或反射光强的装置，这种装置的实例包括液晶显示器，还包括自己产生光的装置，这种装置的实例包括电致发光显示器。

在本申请中，术语“3D”用于称为立体或自动立体图像，其中不同的图像呈现到每个眼睛，导致在大脑中形成深度感。应该理解与“3D图形”的差别，其中3D物体在2D维显示器上显示并且每个眼睛看完全相同的图像。

一种现有技术的可转换2D/3D显示系统使用可转换背光单元，以便实现不同方向分布之间的转换，如下文所述：“Devolopments in AutostereoscopicTechnology at Dimension Technologies Inc.(空间技术公司的自动立体技术的发展)”，Proc.SPIE vol.1915 Stereoscopic Displays and Applications IV(1993)，第177-186页，1993。在第一模式，来自背光的光分布基本上均匀，并产生来自显示器的2D方向分布。在第二显示模式，由背光产生光线。这些光线被LCD像素调制，从而形成用于观看3D图像的自动立体光强分布的窗口。例如，通过被施加在散光体上电压控制的可转换散光体元件可以实现这种转换。这种散光体在现有技术是公知的。

已知在每个视差部件(parallax component)(诸如微透镜屏幕(lenticularscreen)的透镜或视差屏障缝隙)下面增加像素列的数量将增加用户可获得的视窗数，因此，能够有“环顾”效果，并且增加横向观看自由度。考虑图3，窗口39、36、40、37、41、38例如可以包含分别来自视图1、2、3、4、5、6的视图数据，而不是重复两个视图的波瓣。这种布置在透镜阵列的每个透镜下面提供6列像素。

用于自动立体显示的一种现有技术像素布置利用用于标准2D显示的已知条形结构，如图5所示。这种结构包括红色像素阵列1228、绿色像素阵列1234和蓝色像素阵列1238。为了产生自动立体显示，视差元件诸如柱镜阵列(lenticular array)与图示的彩色子像素对对准。为了容易解释该文件的附图，这种透镜阵列100以横截面示出，而像素在平面图中示出。如果圆柱透镜阵列100设置在这种像素结构的表面上，那么观察者的每个眼睛看见水平像素的一半。这在图5b中示出，对于右眼图像，包括红色图像像素列102、蓝色图像像素列104和绿色图像像素列106。在这种情况下，像素之间的水平间隙108基本上为零，因为微透镜屏幕用于分布来自整个透镜孔径上的相应像素的光。

在图6中更详细地示出在两个视图自动立体显示中的彩色像素的使用。透镜阵列1208的透镜1214用于覆盖像素列1228和1234。像素列1228包含红色右眼数据，像素列1234包含绿色左眼数据。像素1222通过透镜1214被成像到右眼并且似乎充满透镜1214的孔径。在相邻透镜1216中，蓝色像素列1238被成像到右眼，红色像素列1230被成像到左眼。类似地，对于透镜1218，绿色像素列1236被成像到右眼，蓝色像素列1240被成像到左眼。

在2D模式，彩色像素1200由相邻颜色子像素1202、1204和1206形成。但是，3D图像彩色像素由具有两倍间隔的像素例如1224、1242和1207形成。

在两个视图的这种空间多路复用自动立体图像(spatially multiplexedautostereoscopic image)中，立体图像的水平像素分辨率是2D水平像素分辨率的一半。

图像间隔(separation of images)的质量、显示器的横向观看自由度范围和纵向横向观看自由度范围取决于窗口质量，如图4所示。图4a示出理想视窗，而图4b是可以从显示器输出的实际视窗的示意图。由于不合适的窗口性能，会出现多个假象。当来自右眼的图像被左眼看见时，出现串扰(cross talk)，反之亦然。这是可导致用户视觉疲劳的明显3D图像退化机理。此外，很差的窗口质量导致观察者的观看自由度降低。当观看者在显示器前面移动时，空间衍生假象的产生是一个问题。当观看者移过窗口时，因为被显示图像的闪烁，观看者看到整个窗口光强的变化。

在EP-A-0,625,861中描述了一种用于自动立体显示器的空间光调制器。像素以像素列基本上邻接的方式排列，从而与视差元件组合时提供均匀的视窗。这种显示器不利地受到孔径比的限制，因为临界像素的单独列在一行中被分开。

EP-A-0,833,184公开了另一种空间光调制器，其中当借助于像素之间的垂直间隙和像素孔径而与具有电力的视差元件组合时，视窗基本上具有均匀的光强，所述像素之间的垂直间隙倾斜为使得像素孔径沿着行重迭，所述像素孔径成形为使得沿像素行的每一点的像素总高度是常数。

但是，在自动立体显示装置的示例中，需要一些相邻列，以显示被观看者的两只眼睛看到的不同图像。期望在显示不同图像的窗口之间的锐转变，以防止在窗口边缘的两个图像之间的串扰。为了实现这个目的，期望像素列之间的间隙平行于像素列延伸，即，垂直地。最小化该间隙宽度难以实现，因为这种间隙需要用于电连接像素的布线。窄间隙存在加工难度。例如，小间隙对在彩色滤光片加工过程造成的间隙位置变化和彩色滤光片的重迭或不重迭的误差灵敏。同样，空间光调制器的性质存在理论的限制。例如，在LCD空间光调制器的示例中，间隙基本上不能小于LCD单元的厚度，以允许相邻像素的独立操作。因此，实际上间隙必须有限定宽度，有些空间衍生假象继续存在于方向显示装置中。

发明内容

本发明涉及自动立体显示装置，包括：

空间光调制器，其包括在像素平面排列成行和列的像素阵列，所述像素包括在其之间具有间隙的像素孔径，像素列之间的间隙基本上平行于所述像素列延伸；和

空间多路复用视差元件(spatially multiplexed parallax element)，其能够从连续的像素列朝标称窗口平面(nominal window plane)中的两个或更多个视窗中的连续的视窗引导光。

在这种自动立体显示装置中，期望减小上述类型的空间衍生假象。

根据本发明的第一方面，像素孔径排列成使得：

通过空间多路复用视差元件，在像素平面上形成标称窗口平面中的标称人的瞳孔图像的光强图形(intensity profile)的在两个相邻列上沿垂直于所述列的方向的卷积(convolution)，

平行于像素列的像素孔径总高度的在两个相邻列上沿垂直于所述列的方向的卷积至多改变最大卷积的5％。

根据本发明的第二方面，像素孔径以等于所述光强图形的典型宽度的间距(pitch)重复。

根据本发明的第三方面，平行于像素列的像素孔径总高度变化。

因此，在本发明的所有方面，考虑通过空间多路复用视差元件、在像素平面形成的标称窗口平面中的标称人的瞳孔图像的光强图形，设计像素的排列，以减小空间衍生闪烁的量。特别是，可以减小和甚至消除在窗口平面移动的观看者所观察的闪烁量。因此，可以优化视窗的性能。这样让自动立体显示装置的观看自由度增加。

由于列之间的间隙平行于列延伸，可以实现上述的优点，对相邻窗口图像的串扰和显示器的孔径比没有不利的影响。

空间多路复用视差元件优选柱镜阵列，但是，通常可以是任何合适的视差元件例如视差屏障或全息光学元件。可以是偏振灵敏元件与合适的偏振照明光源的组合。

本发明特别是可应用于多窗口成像系统，其是具有多于两个视窗的系统，在本系统中一般是三个或四个视窗。这种多窗口成像系统可以有利地在自动立体显示器中提供提高的观看自由度。这可以通过视窗各呈现不同的视图，使得当观察者相对显示器移动时。看见的图像变化。另外，跟踪系统可以用于测量观察者的位置，并且根据观察者的位置更新每个窗口所显示的数据。如果使用多于两个窗口，那么可以在观察者目前不看的窗口调整数据。因此，图像数据的更新看不见，从而基本上看不见图像的闪烁出现。

这种多视窗系统依靠最小化在视窗边界的光强变化。否则，当用户在窗口之间移动时，察觉到的光强变化就好象图像的闪烁。这通过本发明来实现，其让光强变化最小化，同时让系统中使用的光点尺寸减小。这样让相邻窗口之间的串扰最小化，从而图像质量得以提高。

虽然在标称视距的窗口间距等于观察者的标称两眼间隔，本发明可以应用多窗口成像系统的优点，其中在标称视距的窗口间距小于观察者的标称两眼间隔，其是65mm，或小于观察者的典型最小两眼间隔，其是55mm。例如，窗口间距可以是标称两眼间隔的2/3或一半，或甚至更少。对于给定标称视距来说，窗口尺寸的减小允许显示器衬底的厚度增加，从而便于加工。相反，因为减小显示器衬底厚度存在实际困难，窗口间距的减小允许达到较短的视距。理由是在窗口平面离显示器的标称视距取决于像素间距和玻璃厚度。对于小像素，例如，50μm的间距，0.47mm的像素平面的透镜总间隔要求在400mm的视距达到65mm窗口，假定玻璃的折射率为1.52。显示器衬底的厚度一般为0.5mm，从而结合透镜衬底难以达到短视距。但是，作为排列其尺寸小于55mm的将被成像到窗口平面的多于两个视窗的实例，可能成像四个尺寸32.5mm的将被成像的窗口。在给定实例中，像素平面的间隔是0.94mm。这种厚度更容易在显示器中获得。

根据本发明的第五方面，提供一种自动立体显示装置，包括：

空间光调制器，其包括排列成行和列的像素阵列，其中垂直间隙位于像素列之间；和

视差元件，用于在空间光调制器的平面上提供观察者瞳孔的垂直延伸图像，

其中像素孔径的形状取决于在像素平面上的照明光点的标称图形的水平卷积，从而窗口平面的集合光强(integrated intensity)在窗口平面的至少第一窗口边界上不变。

另外，至少像素子孔径之一的形状标称是垂直延伸的照明光点的光强图形，使得窗口平面的集合光强在窗口平面的至少第一窗口边界上不变。

视差光学元件的光点尺寸和形状可以在加工时固定，以与平板结构匹配。

本发明第一方面的不同特征可以以单独的或任何组合的形式提供下列优点。

附图说明

现在参照附图，仅通过实例描述本发明的实施例，其中：

图1a示出屏幕平面后面的物体在3D显示器中的视在深度的产生；

图1b示出屏幕平面前面的物体在3D显示器中的视在深度的产生；

图1c示出在图像立体对的每个图像中，对应同名点的位置；

图2a示意性地示出在自动立体3D显示器前面的右眼视窗的形成；

图2b示意性地示出在自动立体3D显示器前面的左眼视窗的形成；

图3示出从3D显示器的输出锥形形成视区的平面图；

图4a示出自动立体显示器的理想窗口图形；

图4b示出来自自动立体3D显示器的视窗输出图形的示意图；

图5a示出现有技术的彩色滤光片图案；

图5b示出结合观察者右眼中的两个视图视差光学元件使用时的图7a的外观；

图6示出在图7a所示类型的两个视图柱镜显示器上数据的排列；

图7示出可转换2D/3D系统；

图8示出3D自动立体显示器，其中通过电控制偏振转换元件来转换方向分布；

图9示出另一3D自动立体显示器，其中通过电控制在透镜阵列和输出偏振镜之间的偏振转换元件来转换方向分布；

图10示出另一3D自动立体显示器，其中通过电控制在输出偏振镜和透镜阵列之间的偏振转换元件来转换方向分布；

图11a示出柱面透镜的标准RGB条板的照明；

图11b示出标准RGB条结构对窗口平面的光强变化的影响；

图12a示出包括具有子区域的像素的平板照明；

图12b示出图12a的结构对窗口平面的光强变化的影响；

图13示出具有一半面积绿像素的子像素区的实例结构；

图14示出补偿间隙区的像素的照明；

图15示出图14的像素的结构；

图16示出本发明的可替换像素结构；

图17示出使用另一子孔径提高窗口平面性能；

图18示出具有一半面积绿像素的子孔径区的实例结构；

图19示出具有RGB条像素图案的子孔径区的实例结构；

图20示出具有色差的照明光点的外形；

图21示出补偿色差的像素波瓣调整；

图22示出本发明的透反射像素布置；和

图23示出本发明的像素结构；

图24示出眼点相对显示器的布置；

图25示出在显示器中视窗的布置；

图26示出显示器在第一和第二方向的横向观看自由度的延伸；

图27示出在多视窗成像系统中，为了减小眼点尺寸的分离像素列；

图28示出第一观看位置的显示器外形；

图29示出第二和第三观看位置的显示器外形；

图30示出本发明的另一实施例，其中彩色像素排列成行；和

图31示出本发明的另一实施例，其中像素排列成行并且细分。

具体实施方式

首先，描述应用本发明像素布置的几种不同的显示装置。本发明的像素布置可以应用于WO 03/015,424所述的显示装置，其在此引入作为参考。现在，概述这些种类的显示装置的其中几种，但是，显示装置的其它特征在WO 03/015,424中描述，并且可以并入根据本发明的显示装置中。

首先，参照图7来描述一种特别适于实现本发明的2D/3D可转换方向显示装置，图7示出一种可转换方向显示器，如WO 03/015,424所述。

背光1034产生光学输出1036，光学输出1036入射到输入线性偏振器1038和LCD TFT衬底1040上。光通过包括LCD像素1044-1058阵列的像素平面1042。每个像素包括可寻址液晶材料的分离区域和彩色滤光片，并被黑色掩模(black mask)1060包围，以形成像素孔径1062。然后，光通过LCD反衬底1064并通过载体衬底1066，以照射在双折射微透镜1072上，双折射微透镜1072包括双折射材料1068层和各向同性透镜微结构1070。然后，光通过透镜衬底1074和偏振变化装置1076。

图8示出在WO 03/015,424中描述的另一种可转换方向显示器，其中通过可转换偏振元件转换方向分布。背光1034产生光学输出1036，光学输出1036入射到输入线性偏振器1038和LCD TFT衬底1040上。光通过包括LCD像素阵列的像素平面1042。然后，光通过LCD反衬底1064和LCD输出偏振器1414，并通过载体衬底1066，以照射在双折射微透镜1072上，双折射微透镜1072包括双折射材料层和各向同性透镜微结构。然后，光通过透镜衬底1074和偏振变化装置1416。

偏振变化装置1416例如可以体现为夹在用透明电极和液晶取向层处理的表面1418之间的扭曲向列液晶层，其在本领域已经公知。传感装置1424可以用于监测偏振转换层1416的电驱动。单元1416、1418的第二衬底1420具有连接其第二表面的偏振器1422。

偏振器1414可以是线性偏振器，其透射方向相对于准微透镜1072的双折射光轴成45度。微透镜的双折射轴在用于双折射微透镜1072的双折射材料的非常轴方向。入射到双折射微透镜的偏振状态分解到双折射材料的两个轴上。在第一轴上，双折射材料的折射系数基本上是与双折射微透镜1072的各向同性系数相配的系数，因而透镜基本上没有成像功能。在垂直于第一轴的第二轴上，双折射材料的折射系数具有与各向同性材料不同的折射系数，因而透镜具有成像功能。

在2D操作模式，在液晶层1416上没有施加电压，并且旋转入射偏振状态。在3D操作模式，在单元上施加电压，并且基本上不旋转入射偏振状态。

如果开关1416设定成透过偏振器1422的偏振状态平行于第一轴，那么显示器具有2D方向分布。如果开关1416设定成透过偏振器1422的偏振状态平行于第二轴，那么显示器具有自动立体3D方向分布。因此，传感装置1424通过判断偏振元件的电驱动来确定光学转换装置的显示模式。

图9示出在WO 03/015,424中描述的另一种可转换方向显示器，其中通过可转换偏振器元件转换方向分布。该显示器在结构上与图4的结构相似，除了省略偏振器1414和偏振角的方向不同之外。这种装置的操作方式与图3的装置相似，除了机械可重构偏振器用电转换偏振器1416代替之外，电转换偏振器1416例如可以是夹在包括透明电极、取向层(alignment layer)和吸收线性偏振器1422的表面1418之间的扭曲向列液晶层。

如图8所述，通过选择被最后偏振器1422透射的偏振状态，装置可以在2D和3D方向分布之间转换。

图10示出在WO 03/015,424中描述的另一种可转换方向显示器，其中通过位于显示输出偏振器和双折射微透镜阵列1072之间的可转换偏振器转换方向分布。被偏振器1414透射的显示器输出线性偏振透过开关衬底1432、夹住扭曲向列层1430的透明电极和取向层1418、透镜反衬底1066、双折射微透镜1072和透镜衬底1074。

在2D模式，偏振开关1430旋转入射偏振，使其入射到双折射微透镜材料的正常轴上。正常轴符合各向同性材料的系数，从而透镜不起作用。在3D模式，电场被施加到液晶层1430上，使得偏振状态不旋转并且光入射到双折射微透镜的非常轴上。那么透镜具有光学作用，其产生自动立体方向分布。

通过判断偏振组件的电驱动，传感装置1424确定光学转换装置的显示模式。

现在描述根据本发明的像素布置。下列像素布置的任何一种可以应用于上述任何一种显示装置的空间光调制器的像素布置。通常，本发明也可以应用于其它种类的空间光调制器。

在下述的像素布置在中，像素排列成行和列相互垂直延伸的阵列。术语垂直和水平分别用于定义沿列和行的方向，但是，不应该理解为这些术语限定在使用中可以改变的显示方向。像素包括像素孔径和它们之间的间隙。在像素布置中，列之间的间隙基本上垂直延伸，优选精确地垂直延伸，尽管实际上允许相邻像素不重迭产生的一些变化。

期望在观察者移动时，在窗口平面出现的光强变化最小化，从而当观察者通过窗口边界时，避免显示器出现闪烁。例如，要求在窗口之间基本上没有间隙的图4a的最终光强图形，而不是图4b的光强图形。在微透镜屏幕或视差屏障显示器的窗口平面中的光强波动取决于像素的形状、透镜或缝隙的光学特性以及观察者瞳孔的形状和大小。如下面更详细的描述，通过提供合适的像素形状和在像素平面的点照明，可能提供接近图4a所示的窗口结构。

减小窗口边界可见度的一种方法是利用尺寸小于观察者标称两眼间隔的窗口。因此，当一只眼睛在边界上时，另一只眼睛在窗口的均匀区，闪烁假象仅仅在一只眼睛中，减小整个可见度。

图11a示出现有技术的显示器，其中光点500是当通过微透镜屏幕的一个透镜501成像到像素平面502时，观察者的瞳孔在标称窗口平面上的图像。图像500包括通过微透镜屏幕(包括垂直延伸的柱面透镜阵列)的透镜组件产生的垂直延伸的横向光强图形。光点500的峰值光强相对位置用线503示出。通常，线503平行于像素的垂直列。总体而言，光点500的形状和大小可以通过控制透镜501的光学性能来设定。可以调整像素平面的表面形状、透镜材料和透镜间隔，以使光点形状最佳化。

下面的像素布置考虑光点500的形状来设计。实际上，这是易懂的，并且这种标称瞳孔的使用是光学领域的例行程序。一般说来，人的瞳孔大小显示出很小的变化，所以可以使用任何普通的瞳孔大小。对于任何给定显示装置来说，具有标称窗口平面，尽管实际上景深足够深，标称窗口平面离显示器的精确距离不会明显改变显示装置的设计。

通常，人的瞳孔直径在大约4-7mm之间的范围内变化。瞳孔的大小取决于显示亮度和环境光条件，但是，对于亮度为200cd/m2的显示来说一般是5mm直径级。认为这种瞳孔大小适合标称瞳孔大小。

对于65mm的普通窗口尺寸和60μm像素间距来说，5mm瞳孔直径在像素平面代表+/-2.3μm的尺寸。这是例如宽度为20μm(5-95％)的全部光点尺寸的小部分。因为瞳孔是圆的，但是，通过微透镜屏幕成像成线，那么能量最紧密地分布在小于+/-1μm的区域。因此，瞳孔直径的第一级变化对于像素平面的照明光点尺寸具有相对小的影响，因为对于基本上在无穷远光源来说，光点的宽度由透镜的性能控制。

像素平面包括红色像素孔径504、绿色像素孔径506和蓝色像素孔径508的阵列，其被例如黑色掩模510的像素间隙围绕。微透镜屏幕501的间距可以大于两种颜色子像素，例如，基本上为四个像素的间距。像素也可以排列成单色行，使得平板例如分别包括重复红、绿和蓝像素行。这种平板例如可以是用于纵向取向的2D模式的纵向板(portrait panel)(其中每列包括相同颜色的像素)。平板还可以用于横向取向的2D模式。但是，透镜的取向在制造时被固定，所以这种平板可以用于3D模式的横向取向。在这种情况下，平板显然包括相对透镜几何轴的相同颜色像素行。

当观察者横向移动时，光点500沿箭头512所示的方向横过显示表面，观察者看见的图像在各个像素孔径上移动。自动立体3D图像的光学质量取决于在像素平面上的光点500的质量。如果光点足够大，那么眼睛看见将看见来自相邻像素的数据，并且在图像中看见串扰。

对于移过ON像素阵列的移动观察者来说，将看见图11b所示的光强变化，其中针对窗口平面516的横向位置绘出显示光强514，其通过光点500与像素图形的卷积求出。在区域518，光点在像素列的中心，那么显示亮度最大化，而在区域520，光点落在像素之间的间隙上，亮度最小化。当观察者移动时，他们看见光强变化522就象显示器的闪烁一样，本发明的目的是使变化最小化。

最小化光强变化的一种方式是增大光点尺寸，使它覆盖几个像素。但是，这要让观察者看见来自相邻像素的光，因此，将会增加不期望的显示串扰。

在本发明中，保持小的光点尺寸，以便最小化串扰，同时优化窗口均匀性。

本发明的第一实施例如图12a所示。每种颜色像素532分成三个孔径526、528和530，每个孔径用垂直延伸的间隙534分开。每个孔径526、528和530具有相同、不变的垂直高度和相同的宽度。每个像素532的孔径526、528和530是可公共寻址的。

对于第一近似值，在像素平面的光点524呈现具有实际光点表示宽度的大礼帽(top-hat)函数。例如，该宽度可以采用实际光点光强图形的累积积分点(cumulative integration point)的5％和95％之间的宽度。在图12a的实施例中，间距(即，孔径526的宽度和间隙534的宽度的和)设计成基本上与光点524的宽度相同。结果，光点524总是覆盖相同比例的像素孔径526和像素间隙534，所以输出的集合光强相同，与光点位置无关，如图12b所示。换言之，光点524与像素孔径高度的卷积(其是在任何给定位置用眼睛看到的光强)保持不变。

在一个实例中，使用彩色子像素间距为60μm的TFT-LCD显示器，其中有15μm的水平间隙。为了避免串扰和最大化观看自由度，通过透镜的设计和结构选择20μm直径的光点宽度(5-95％能量)。那么，像素532分成宽度为15μm的三个相等孔径526、528和530，用5μm宽的间隙534分开。三个孔径的每一个通过相同的数据信号寻址，并且包括均匀转换液晶单元和相同的颜色滤光片。子间隙可以用黑色掩模层限定，黑色掩模层可以在显示装置的反衬底上形成。

图13示出本发明的另一实施例，其利用结合附加的品红像素和半尺寸的绿色像素的像素结构，如与该申请同一天提交的未审申请所述(J.A.Kemp&Co.Ref：N.89125)。红色和蓝色成分在第一行540中形成，绿色成分在第二行542中形成。像素分成纵列组532，其包括红色和绿色、蓝色和绿色、或品红和绿色的列数据。绿色像素附加行的使用意味着对于相同横向3D照明间距，可以增加像素宽度。这有利于使用像素平面和透镜之间更大的间隔，并且给出更大的光点设计的灵活性。有利地，由于要求寻址平板像素的电极的有限尺寸，越大的像素间距意味着间隙宽度543占整个像素宽度的比例可以越小。在该实例中，所示的像素每像素为单间隙。

在TFT-LGD中，像素之间的间隙取决于源极宽度和寻址电子器件诸如薄膜晶体管和存储电容的尺寸。在本发明中，期望(但不是必须)子间隙不明显减小平板孔径比而远离寻址电子器件要求的孔径比。有可能将源极分成两个相等宽度的电极。但是，这样增加平板电极的电阻，这是不期望的。另外，可能沿着附加间隙结合存储电容，同时保持源极的宽度。这样，可以增加显示器的垂直孔径比，因此，保持显示器孔径比。

实际上，光点不是理想的大礼帽函数，从而在窗口平面的窗口之间存在小的残余光强波动。大礼帽劣化的根源是由于透镜孔径的衍射、光学表面的散射、观察者圆瞳孔的图像和色差。为了消除衍射的影响，通过结合附加衍射组件可能切趾(apodize)衍射透镜孔径。衍射组件可以并入透镜的衍射结构。

横向色差是由透镜材料的分散效应引起的，并且可以通过适当选择用于制造透镜结构的材料来补偿，特别是，在针对各向同性介质上形成双折射透镜的情况下。另外，色差的衍射校正例如可以结合到折射透镜表面。

透镜产生的光点在制造期间可以优化，例如，利用折射率根据固化温度变化的UV可固化透镜。UV可固化双折射材料在本领域是公知的。如果透镜相对像素孔径或测试像素孔径适当地定位，那么能够测量在远场的光强波动，能够形成最佳固化温度，以最小化窗口平面的光强波动。

在上述像素布置中，每个像素在其水平宽度上具有不变的垂直高度，并且像素的间距考虑光点的宽度设计。在下列像素布置中，像素孔径的高度考虑光点的形状设计。

图14示出落在像素平面上的光点544，对于在窗口平面移动的观察者来说，在像素平面具有光点移动512。本发明的像素孔径546用间隙547分开，如图所示。如图15详细示出，像素孔径分成基本矩形孔径区548和更远的孔径区550。还标记间隙区551和549。当光点在间隙区551时，孔径区550的目的是提供窗口平面的附加照明。因此，像素孔径546的垂直高度的整个图形在中心部分是平坦的，并且朝边缘增加。

对于单个视差装置，设定孔径区550的垂直范围，使得当光点位置503在间隙中心时，在光点544下的集成光强与光点位置503在像素中心区时的垂直集成光强相同。换言之，光点544与像素孔径546的垂直高度的水平卷积(其表示观察者眼睛看到的光强)在整个水平位置是常数。因此，在孔径区550中，相对像素中心配置额外垂直延伸的像素面积。

当光点远离间隙中心时，所需的附加光强下降，下降的光强图形基本上与被正方形光点围绕的光点图形相同。因此，该区基本上具有与在像素平面的光点544相同的图形。这样，消除间隙的出现。有利地，间隙区551不必调整就被补偿。

图16示出本发明的可替换实施例，其中每个像素使用单间隙区549，用两个孔径区550。区550的总集成光强与图15的相同，所以，在本实施例中子孔径范围更大。

孔径区550的垂直范围限制平板的垂直孔径比。垂直范围的限度利用更远的间隙区来减小，如图17所示。在这种情况下，图15的间隙551用像素的两个间隙553和555来代替，从而减小由间隙551产生的光强变化。这导致较小面积的孔径550，和较大的孔径548。因此，增加垂直孔径比。附加间隙的使用将导致窗口边界更均匀，特别是，孔径和间隙宽度基本上等于光点宽度。

像素例如可以排列成RBMGGG结构，如同18所示，其中红、蓝和品红像素的行554与绿色像素行556交替。另外，像素可以排列成其它结构，诸如RGB条形像素行558，如图19所示。

实际上，光点形状可以包括色差效应，其中红色光点562、绿色光点560和蓝色光点564的尺寸不同，如图20所示。在这种情况下，对于每种颜色的光点，光点与像素边界的卷积可以不同。通过改变子孔径宽度和/或高度，像素孔径550可以分别被红色像素568、绿色像素566和蓝色像素570补偿，例如图21所示。类似地，在图12和13所示的实施例中，通过改变子孔径526、528和530的水平宽度或垂直高度可以达到相同的效果。特别是，每种颜色的子孔径526、528和530相同，而不同颜色的子孔径不同。

图22示出本发明的透反射显示器。子像素包括透射像素孔径572，其包括补偿间隙区551的孔径区550。包括孔径区576的附加反射像素孔径574被并入。反射像素便于在像素孔径下的电极布线，所以间隙578可以小于间隙551。调整区576，以补偿不同间隙宽度。如上所述，附加间隙可以用于将间隙分成更小的部分。

图23a示出本发明的另一实施例，其中通过对角线延伸电极580可以减小像素列586之间的间隙。结合切除区582，以补偿对角线电极孔径。结合子孔径区550，以与照明光点配合，消除子像素间隙584和586。子像素具有子孔径区588和590。为了清楚起见，去除结构线的像素形状在图23b中示出。

这样，这些像素布置容许在自动立体3D显示器的窗口平面的至少两个窗口上形成的均匀光强。这可以有利地用于扩大显示器的观看自由度，同时减少或去除显示器闪烁。窗口可以包含不同的视图数据，或相邻窗口可以包含相同的视图数据并与观察者位置测量传感器配合使用，使得观看者看见观看位置延伸范围的立体3D图像。

上面已经描述了这样的像素布置，当观察者的眼睛在窗口平面上移动时，提供不变的光强。实际上，确实存在一些变化。但是，像素布置可以用于减小这种变化。实际上，对于在图11a所示的已知类型的像素布置，在上述卷积中的一般变化是10％级。本发明允许减小到5％和低于5％。

最小的有用窗口尺寸可以是整个窗口间距的25％；例如，对于65mm的窗口间距具有16mm横向自由度。对于在单窗口内移动的观察者来说，为了在这个观看自由度上保持舒适水平的串扰(例如，5％或低于5％)，期望标称光点宽度小于像素间距的75％，优选小于像素间距的50％。

在现有技术的显示系统的实例中，像素间距为60μm，在像素之间有15μm的间隙，在有效横向观看自由度上产生基本水平的串扰之前，可以使用的最大光点宽度为45μm级。假定基本大礼帽光点函数，产生的最大卷积光强是45单位，最小卷积光强是30单位。与最大光强比较，卷积光点光强的变化最好在33％。一种构成的测量显示系统对于小于5％的串扰和大于40％的光强变化，具有大于30mm的观看自由度。

在使用60μm像素间距的另一实例中，对于用5μm的液晶单元厚度限制的间隙宽度，最大光强是45单位并且最小光强是40单位。与最大光强比较、卷积光点光强的变化是11％。事实上，光点不是完美的大礼帽函数，从而变化大于此。

为了减小光强变化，现有技术的系统需要增加光点尺寸，因而串扰增加并且观看自由度减小到有效水平以下。

因此，考虑10％，与现有技术系统的最大光强相比，可以实现卷积光点光强的最佳变化，同时保持足够的观看自由度。

本发明的像素形状有利地允许使用较小的标称光点尺寸，因此，对于在窗口平面移动的观察者来说，增加观看自由度和减小串扰，同时减小视窗可见度的变化。对于照明光点靠近像素之间的边界的情况，列之间垂直延伸的间隙允许串扰面积的进一步减小。

图24示出本发明多窗口的自动立体显示器。其中条形彩色滤光片显示器的四个像素列放在阵列的每个透镜下，如用于多窗口观看系统的显示器实例。像素包括排列成列的红色603、绿色604和蓝色606像素孔径列的阵列。在透镜600下面具有红色、绿色、蓝色和红色像素；透镜601具有绿色、蓝色、红色和绿色像素列，而透镜602具有蓝色、红色、绿色和蓝色像素列。视图数目608给出每列。视图可以是风景的各个视图，或视图1和2可以是右眼视图和视图3和4可以是左眼视图。

透镜600产生接近大礼帽函数的观察者瞳孔610的图像。光点610的宽度可以设定成基本上与像素间距相同。透镜601和602产生右眼的光点612和614，透镜600、601、602分别产生左眼光点612、614、616。

在当前的实例中，窗口设定为32.5mm间隔，如图25所示。输出光62的显示器626在零级波瓣产生窗口628-634的阵列。在中心观看位置，观察者将他们的左眼638放在窗口630和628的相交处，将他们的右眼636放在窗口632和634的相交处。当标称眼间隔是在形成黑色掩模的几何图像的点上时，与每个窗口630、628的中心位置相比，会导致光强下降。但是，当光点尺寸设定成基本上与像素间距相同时，基本上不存在光强波动，对于所有光点位置，光强名义上不变。

每个窗口628-634包括每个透镜的彩色窗口阵列。因此，对于透镜600，窗口628是红色、630是绿色、632是蓝色和634是红色。但是，对于相邻透镜601，窗口具有不同的颜色，对于透镜602也是一样。因此，在三个透镜600-602上，在窗口平面产生白色窗口。

这种方法的优点是在显示器结构中可以使用较厚的玻璃衬底，因为减小每个像素的窗口尺寸。较厚的衬底在制造时更容易处理，具有更高的产量，因此，可以生产更便宜的显示装置。

在图26中描述在窗口平面的显示器观看自由度，其中视图1和2是右眼视图，视图3和4是左眼视图。当观察者在窗口平面上移动时，眼睛光点的阵列622的位置在像素平面移动。当观察者移到左边时，阵列622移到右边，反之亦然。显示器的横向观看自由度由左眼和右眼之间的图像串扰超过一定值例如5％的点来限定。这在光点622的阵列开始覆盖相对的视图像素时出现。因此，通过在像素平面的眼睛光点尺寸设定串扰足够低的观看自由度624。如果眼睛光点尺寸减小，那么观看自由度相应增加。

如本申请其它地方所述，这种显示器具有提高的观看自由度，例如图27所示。在这种情况下，每个像素列分成用相同数据608寻址的两个子列624、644。可以使用较小的眼睛光点646，648，同时在窗口平面上保持光强均匀性。这样在显示器中具有更大的自由度，并且提高跟踪显示的质量。

如果眼睛光点不是大礼帽函数，对像素结构进行进一步修改，以最小化窗口边界的光强波动，如本申请其它地方所述。

图28a示出来自透镜阵列600-602的像素平面的成像光束652的横截面。图28b示出观察者在图24的窗口平面看到的图像外形。在透镜600的中心，观看者将看见带有红色像素656和绿色像素658的黑色掩模654的图像。在三个透镜600-602上，对每个窗口位置产生白色像素。图29a和图29b示出对于在显示器的观看自由度边缘的观察者来说，来自显示器的成像光652的横截面。图29c和图29d示出由观察者分别在图26a和26b的窗口平面看见的图像外形。在图29c的透镜600中，透镜在透镜中间是绿色658并且在透镜边缘成像黑色掩模区654。类似地，图29d的透镜600在其大部分面积上具有红光662，在边缘具有黑色掩模图像。

在结合图24和27所示结构的显示器的情况下，透镜600例如也可以覆盖三个像素列。在这种情况下，可能在每个视图1中有红色像素，在每个视图2中有绿色像素，和在每个视图3中有蓝色像素。很显然，这是不期望的，可以针对三列图案不重复地排列彩色滤光片图案来补偿。

图30示出本发明的另一实施例，其中彩色像素排列成红色行664、绿色行666和蓝色行668，同时透镜600、601、602排列成列。在这种情况下，四视图系统具有用于在像素平面上的右眼瞳孔图像的函数670、674、678，和用于在像素平面上的左眼瞳孔图像的函数672、676、680，以最小化光强变化，如本申请其它地方所述。

通常，在标称窗口平面中的窗口间距可以等于观察者的标称两眼间隔，但是。小于标称两眼间隔是有利的，优选小于最小两眼间隔。例如，窗口间距基本上是标称两眼间隔的2/3或一半。人的两眼间隔范围通常从55-68mm，一般在60-65mm的范围内。因此，标称两眼间隔采用65mm和最小窗口间隔采用55mm。在上述实例中，窗口间隔大于32.5mm。

图31示出另一实施例，其中像素数据列分成两个像素孔径列，如本发明其它地方所述。在这种情况下，每个数据列产生两个视窗。在这种系统中，在像素平面中的瞳孔图像682、686、690和684、688、692可以设定成小于图30所示的图像。在这种情况下，由像素孔径形成视窗，而不是由像素数据列。

因此，眼睛光点的尺寸可以小于图30装置中的尺寸，同时在窗口基本上平面保持均匀的光强。因此，在视图列的数据不对应观察者移动来改变的非跟踪多窗口显示器中，该显示器可以有利地具有比图30的显示器更宽的观看自由度。另外，显示器有利地具有更低的串扰，因为瞳孔图像的“托尾”相当小，意味着从相邻视图数据列用眼睛可以聚集较少的光。

虽然图24-28所示的排列使用不变高度的像素，其中像素间距等于光点的各个宽度，它们可以用与图14-23相同的排列方式，同样应用于限制强度变化的像素形状。